Нанотехнологии: Углеродные нанотрубки. Электрофизические характеристики модифицированных углеродных нанотрубок

Изобретение относится к области изготовления материалов для систем хранения водорода, а также к области получения углеродных нанотрубок и может использоваться при изготовлении углеродных нанотрубок, применяемых в качестве материала-носителя в различных системах аккумулирования водорода. Сущность изобретения: способ обработки углеродных нанотрубок предусматривает нагрев при температуре 1500-1600°С в парах сульфида цинка в течение 20-30 мин. Техническим результатом изобретения является увеличение сорбционной емкости углеродных нанотрубок при одновременном снижении температуры и продолжительности процесса обработки. 1 табл.

Изобретение относится к области изготовления материалов для систем хранения водорода, а также к области получения углеродных нанотрубок и может использоваться при изготовлении углеродных нанотрубок, применяемых в качестве материала-носителя в различных системах аккумулирования водорода.

Известен способ обработки углеродных нанотрубок нагревом до 1700-2200°С в потоке аргона в течение 120 минут - прототип. Способ позволяет увеличить сорбционную емкость углеродных нанотрубок по отношению к водороду в 1,26-3,09 раза в зависимости от температуры обработки. Основным недостатком способа является необходимость использования высокой температуры обработки для существенного увеличения сорбционной емкости материала. Обработка при 1700°С увеличивает адсорбционную способность только в 1,26 раза, тогда как для увеличения сорбционной емкости в 3,09 раза требуется нагрев до 2200°С. К недостаткам также следует отнести большую длительность обработки (120 минут).

Задачей настоящего изобретения является увеличение сорбционной емкости углеродных нанотрубок при одновременном снижении температуры и продолжительности процесса обработки.

Эта задача решается в предлагаемом способе обработки углеродных нанотрубок, включающем нагрев, который проводится при температуре 1500-1600°С в замкнутом объеме в парах сульфида цинка в течение 20-30 мин.

Обработка в парах сульфида цинка позволяет увеличить сорбционную емкость углеродных нанотрубок по отношению к водороду в 3,4 раза, при этом температура проведения процесса снижается до 1500-1600°С, а продолжительность обработки снижается до 20-30 минут.

Сульфид цинка имеет температуру плавления 1765°С и давление собственных паров в точке плавления свыше 4,5 атм. При нагреве сульфида цинка в твердой фазе он сублимирует; при температуре примерно 1550°С давление собственных паров составляет 1 атм. При нагреве материала выше 1600°С пары сульфида цинка интенсивно диссоциируют с образованием атомарного цинка и молекулярной серы.

Увеличение сорбционной емкости углеродных нанотрубок под воздействием паров сульфида цинка объясняется увеличением площади активной поверхности нанотрубок за счет химического взаимодействия этих материалов.

Выбор температурного интервала проведения процесса обработки обусловлен тем, что при температурах ниже 1500°С, когда давление собственных паров ZnS меньше 1 атм, сульфид цинка испаряется недостаточно интенсивно и существенного увеличения сорбционной емкости нанотрубок не достигается. При температурах выше 1600°С пары сульфида цинка интенсивно диссоциируют и углеродные нанотрубки быстро разрушаются под воздействием сильного окислителя - газообразной серы, являющейся одним из продуктов диссоциации.

При длительности процесса менее 20 мин сорбционная емкость углеродных нанотрубок не достигает максимальных значений. При увеличении продолжительности обработки свыше 30 мин сорбционная емкость сначала перестает увеличиваться, а затем начинает снижаться, что можно объяснить начинающимся разрушением нанотрубок.

По окончании процесса избыточный испарившийся сульфид цинка конденсируется на холодных стенках устройства для проведения обработки и может быть собран для повторного использования.

Режимы обработки приведены в таблице, где для сравнения также приводятся результаты обработки по способу-прототипу, взятые из .

Из таблицы видно, что только при условиях, соответствующих предлагаемым (строки 6-8, 12-13) достигается максимальное увеличение сорбционной емкости углеродных нанотрубок. При этом температура и длительность обработки снижаются по сравнению со способом-прототипом.

Навеску углеродных нанотрубок массой 1 г помещают в контейнер так, что нанотрубки находятся над источником сульфида цинка массой 0,5 г на расстоянии 30 мм. Контейнер вакуумируют до 10 -3 мм рт.ст. и герметизируют. Затем контейнер помещают в безградиентную печь, разогретую до 1550°С, и выдерживают 25 минут. Потом контейнер извлекают, охлаждают и вскрывают. Испарившийся сульфид цинка, сконденсированный на стенках контейнера, собирается для повторного использования. Обработанные нанотрубки насыщаются водородом под давлением 100 атм и при температуре 25°С в течение 24 часов. Сорбционная емкость углеродных нанотрубок увеличивается в 3,4 раза по сравнению с исходным образцом.

Способ обработки углеродных нанотрубок, включающий нагрев, отличающийся тем, что обработка проводится при температуре 1500-1600°С в парах сульфида цинка в течение 20-30 мин.

Ученые из Университета Канагавы (само собой, это Япония) смогли управлять левитирующим объектом не только бесконтактно, но еще и без изменения характеристик магнитного поля. Все это оказалось возможным благодаря особой конфигурации магнитов (они размещены в шахматном порядке) и воздействию лазера на парящий диск. Лазер воздействует таким образом, что край диска нагревается, возникает разница температур, и диск перемещается вслед за лучом. Вот, как все это выглядит:

Еще больше интересных фактов можно найти на сайте polezno.kg

Своеобразное Рождество на антарктической полярной станции

Каждый из нас по-разному отметил Рождество. Кто-то вообще этот день за праздник не признает, кто-то с друзьями праздновал, кто-то в теплые края поехал. А вот ученые с антарктической станции решили запустить в полет особый телескоп, массой в целых 1,8 тонны. Это - стратосферный телескоп, который выполняет ряд важнейших задач для исследования процессов звездообразования и планетообразования. Устройство будет парить на высоте около 30 километров, изучаяя космическое пространство. По утверждению астрономов, такие телескопы дешевле, чем орбитальные, да и стоимость их эксплуатации не в пример ниже, чем стоимость эксплуатации орбитальных телескопов.

Углеродные трубки опасны для здоровья

Ученые из Эдинбургского университета выяснили, что углеродные нанотрубки не менее (а может, и более) вредны, чем асбест. Все дело в том, что сама трубка очень тонкая (имунная система человека не рассчитана на такие размеры), но длинная. Таким образом, попадая в легкое, нанотрубка поражает легкое, а имунная система вовсе не борется с таким "соседом". Пока что не совсем понятно, будут ли нанотрубки накапливаться в организме человека, в случае долгого взаимодействия с материалом из углеродных нанотрубок. Но и в кратковременном интервале все это может нанести вред здоровью человека.

Если кому-то интересно, получить подробную информацию на английском можно

Энергетика является важной отраслью промышленности, которая играет огромную роль в жизни человека. Энергетическое состояние в стране зависит от работы многих ученых в данной отрасли. На сегодняшний день они занимаются поиском Для этих целей они готовы использовать все что угодно, начиная солнечным светом и водой, заканчивая энергией воздуха. То оборудование, которое способно вырабатывать энергию из окружающей среды, очень ценится.

Общие сведения

Углеродные нанотрубки — это протяженные свернутые графитовые плоскости, имеющие цилиндрическую форму. Как правило, толщина их достигает нескольких десятков нанометров, с длиной в несколько сантиметров. На конце нанотрубок образуется сферическая головка, которая является одной из частей фуллерена.

Существуют такие типы углеродных нанотрубок: металлические и полупроводниковые. Главным их отличием является проводимость тока. Первый вид может проводить ток при температуре, равной 0ºС, а второй — только при повышенных температурах.

Углеродные нанотрубки: свойства

Большинство современных направлений, таких как прикладная химия или нанотехнологии, связаны с нанотрубками, которые имеют углеродную каркасную структуру. Что это такое? Под данной структурой подразумевают большие молекулы, связанные между собой только атомами углерода. Углеродные нанотрубки, свойства которых основаны на замкнутом виде оболочки, очень ценятся. Кроме того, данные образования имеют цилиндрическую форму. Такие трубки могут получаться путем сворачивания графитового листа, либо расти из определенного катализатора. Углеродные нанотрубки, фото которых представлены ниже, имеют необычную структуру.

Они бывают разных форм и размеров: однослойные и многослойные, прямые и извилистые. Несмотря на то, что нанотрубки выглядят довольно хрупкими, они являются прочным материалом. В результате многих исследований было выяснено, что им присущи такие свойства, как растяжение и изгиб. При действии серьезных механических нагрузок, элементы не рвутся и не ломаются, то есть могут подстраиваться под разное напряжение.

Токсичность

В результате множественных исследований было выяснено, что углеродные нанотрубки могут вызывать такие же проблемы, как и асбестовые волокна, то есть возникают различные злокачественные опухоли, а также рак легких. Степень отрицательного влияния асбеста зависит от типа и толщины его волокон. Так как углеродные нанотрубки имеют маленький вес и размеры, они легко попадают в организм человека вместе с воздухом. Далее, они попадают в плевру и входят в грудную клетку, и со временем вызывают различные осложнения. Ученые провели эксперимент, и добавили в пищу мышей частички нанотрубок. Изделия малого диаметра практически не задерживались в организме, а вот более крупные — впивались в стенки желудка и вызывали различные заболевания.

Методы получения

На сегодняшний день существуют следующие методы получения углеродных нанотрубок: дуговой заряд, абляция, осаждение из газовой фазы.

Электродуговой разряд. Получение (углеродные нанотрубки описываются в данной статье) в плазме электрического заряда, который горит с применением гелия. Такой процесс может выполняться при помощи специального технического оборудования для получения фуллеренов. Но при данном способе используются другие режимы горения дуги. Например, понижается, а также используют катоды огромных толщин. Для создания атмосферы из гелия необходимо повысить давление этого химического элемента. Углеродные нанотрубки получаются методом распыления. Чтобы их количество увеличилось, необходимо ввести в графитовый стержень катализатор. Чаще всего это смесь разных групп металла. Далее, происходит изменение давления и способа распыления. Таким образом, получается катодный осадок, где и образуются углеродные нанотрубки. Готовые изделия растут перпендикулярно от катода и собираются в пучки. Они имеют длину 40 мкм.

Аблясация. Такой способ был изобретен Ричардом Смалли. Суть его состоит в том, чтобы испарять разные графитовые поверхности в реакторе, работающем при высоких температурах. Углеродные нанотрубки образуются в результате испарения графита на нижней части реактора.

Охлаждение и сбор их происходит при помощи охлаждающей поверхности. Если в первом случае, количество элементов было равно 60%, то при данном способе цифра увеличилась на 10%. Стоимость метода лазерной абсоляции дороже, чем все остальные. Как правило, получают однослойные нанотрубки благодаря изменению температуры реакции.

Осаждение из газовой фазы. Метод осаждения паров углерода был изобретен в конце 50-х годов. Но никто даже и не предполагал, что с помощью него можно получать углеродные нанотрубки. Итак, для начала необходимо подготовить поверхность с катализатором. В качестве него могут служить мелкие частицы разных металлов, например, кобальта, никеля и многих других. Нанотрубки начинают появляться из слоя катализатора. Их толщина напрямую зависит от размера катализирующего металла. Поверхность нагревается до высоких температур, а затем происходит подвод газа, содержащего углерод. Среди них - метан, ацетелен, этанол и т. д. В качестве дополнительного технического газа служит аммиак. Данный способ получения нанотрубок является самым распространенным. Сам процесс происходит на различных промышленных предприятиях, благодаря чему затрачивается меньше финансовых средств для изготовления большого количества трубок. Еще одним преимуществом такого метода является то, что вертикальные элементы могут получиться из любых частиц металла, служащих катализатором. Получение (углеродные нанотрубки описываются со всех сторон) стало возможным благодаря исследованиям Суоми Ииджима, который наблюдал под микроскопом за их появлением в результате синтеза углерода.

Основные виды

Углеродные элементы классифицируют по количеству слоев. Самый простой вид — одностенные углеродные нанотрубки. Каждая из них имеет толщину примерно 1 нм, причем их длина может быть намного больше. Если рассматривать строение, то изделие выглядит как обертывание графита с помощью шестиугольной сетки. В ее вершинах расположены атомы углерода. Таким образом, трубка имеет форму цилиндра, у которого нет швов. Верхняя часть устройств закрывается крышками, состоящими из молекул фуллерена.

Следующий вид — многослойные углеродные нанотрубки. Они состоят из нескольких слоев графита, которые сложены в форму цилиндра. Между ними выдерживается расстояние в 0,34 нм. Структуру данного типа описывают с помощью двух способов. По первому, многослойные трубки — это несколько вложенных друг в друга однослойных трубок, что похоже на матрешку. По второму, многослойные нанотрубки представляют собой лист графита, который несколько раз оборачивается вокруг себя, что похоже на свернутую газету.

Углеродные нанотрубки: применение

Элементы являются абсолютным новым представителем класса наноматериалов.

Как говорилось ранее, они имеют каркасную структуру, которая по свойствам отличается от графита или алмаза. Именно поэтому и применяются гораздо чаще, чем остальные материалы.

Благодаря таким характеристикам, как прочность, изгиб, проводимость, используются во многих областях:

• в качестве добавок к полимерам;
• катализатором для осветительных устройств, а также плоских дисплеев и трубок в телекоммуникационных сетях;
• в качестве поглотителя электромагнитных волн;
• для преобразования энергии;
• изготовления анодов в различных видах батареек;
• хранения водорода;
• изготовления датчиков и конденсаторов;
• производства композитов и усиления их структуры и свойств.

На протяжении многих лет углеродные нанотрубки, применение которых не ограничивается одной определенной отраслью, используются в научных исследованиях. Такой материал имеет слабые позиции на рынке, так как существуют проблемы с масштабным производством. Еще одним важным моментом является большая стоимость углеродных нанотрубок, которая составляет примерно 120 долларов за один грамм такого вещества.

Они применяются как основной элемент для производства многих композитов, которые используются для изготовления многих спортивных товаров. Еще одна отрасль —автомобилестроение. Функционализация углеродных нанотрубок в данной области сводится к наделению полимеров проводящими свойствами.

Коэффициент теплопроводности нанотрубок достаточно высок, поэтому их можно использовать в качестве охлаждающего устройства для различного массивного оборудования. Также из них изготавливают наконечники, которые присоединяются к зондовым трубам.

Важнейшей отраслью применения являются компьютерные технологии. Благодаря нанотрубкам создаются особо плоские дисплеи. При помощи их можно существенно уменьшить габаритные размеры самого компьютера, а также увеличить его технические показатели. Готовое оборудование будет в несколько раз превосходить нынешние технологии. На основе этих исследований можно создать высоковольтные кинескопы.

Со временем, трубки будут использоваться не только в электронике, но и медицинских и энергетических сферах.

Производство

Углеродные трубки, производство которых распределено между двумя их видами, распределено неравномерно.

То есть, MWNT изготовляют намного больше, чем SWNT. Второй вид делают в случае острой необходимости. Различные фирмы постоянно производят углеродные нанотрубки. Но спросом они практически не пользуются, так как их стоимость завышена.

Лидеры производства

На сегодня ведущее место в производстве углеродных нанотрубок занимают страны Азии, которых выше в 3 раза, чем в других странах Европы и Америки. В частности, изготовлением MWNT занимается Япония. Но другие страны, такие как Корея и Китай, никак не уступают в этом показателе.

Производство в России

Отечественное производство углеродных нанотрубок существенно отстает от других стран. На самом деле все зависит от качества проводимых исследований в данной области. Здесь не выделяется достаточно финансовых средств для создания научно-технологических центров в стране. Многие люди не воспринимают разработки в области нанотехнологий, потому что не знают, как это можно использовать в промышленности. Поэтому переход экономики на новую тропу проходит довольно сложно.

Поэтому президентом России был издан указ, в котором указываются пути развития различных областей нанотехнологий, в том числе и углеродных элементов. Для этих целей была создана особая программа развития и технологий.

Чтобы все пункты приказа выполнялись, была создана компания «Роснанотех». На ее функционирование была выделена существенная сумма из государственного бюджета. Именно она должна контролировать процесс разработки, производства и внедрения в промышленную сферу углеродных нанотрубок. Выделенная сумма потратится на создание различных научно-исследовательских институтов и лабораторий, а также позволит укрепить уже существующие наработки отечественных ученых. Также эти средства пойдут на закупку высококачественного оборудования для получения углеродных нанотрубок. Стоит также позаботиться о тех приспособлениях, которые будут защищать здоровье человека, так как данный материал вызывает множество болезней.

Как говорилось ранее, вся проблема состоит в привлечении средств. Большинство инвесторов не хотят вкладываться в научные разработки, тем более на длительное время. Все бизнесмены хотят видеть прибыль, но наноразработки могут идти годами. Именно это отталкивает представителей малого и среднего бизнеса. Кроме того, без государственного инвестирования не получится в полной мере запустить производство наноматериалов.

Еще одной проблемой является отсутствие правовой базы, так как нет промежуточного звена между разными ступенями бизнеса. Поэтому углеродные нанотрубки, производство в России которых не востребовано, требуют не только финансовых, но и умственных вложений. Пока РФ далека от стран Азии, которые являются ведущими в разработке нанотехнологий.

На сегодняшни день разработками в данной отрасли занимаются на химических факультетах различных университетов Москвы, Тамбова, Санкт-Петербурга, Новосибирска и Казани. Ведущими производителями углеродных нанотрубок являются фирма «Гранат» и тамбовский завод «Комсомолец».

Положительные и отрицательные стороны

Среди достоинств можно выделить особые свойства углеродных нанотрубок. Они являются прочным материалом, который под действием механических воздействий не разрушается. Кроме того, они хорошо работают на изгиб и растяжения. Это стало возможным благодаря замкнутой каркасной структуре. Их применение не ограничивается одной отраслью. Трубки нашли применение в автомобилестроении, электронике, медицине и энергетике.

Огромным недостатком является негативное воздействие на здоровье человека.

Частички нанотрубок, попадая в организм человека, приводят к возникновению злокачественных опухолей и рака.

Существенной стороной является финансирование этой отрасли. Многие люди не хотят вкладываться в науку, так как для получения прибыли необходимо много времени. А без функционирования научно-исследовательских лабораторий развитие нанотехнологий невозможно.

Заключение

Углеродные нанотрубки играют важную роль в инновационных технологиях. Многие специалисты прогнозируют рост данной отрасли в ближайшие годы. Будет наблюдаться значительный рост производственных возможностей, что приведет к снижению стоимости на товар. С уменьшением цены, трубки будут пользоваться огромным спросом, и станут незаменимым материалом для многих устройств и оборудования.

Итак, мы выяснили, что собой представляют данные изделия.

Углеродные нанотрубки известны своими уникальными механическими, электрическими и термическими свойствами, пригодными для широкого спектра применения в полимерах. Модуль Юнга 1000 ГПа и прочность на разрыв 60 ГПа были измерены на индивидуальной структуре. Эти показатели на несколько порядков превышают показатели обычных конструкционных пластмасс. Высокая электропроводность и теплопроводность были также установлены экспериментальным путем, при этом их величины приближались или превышали показатели металлов. Такое сочетание свойств и формы продукта, совместимое с современными технологиями переработки полимеров, обеспечивает создание новых конструкционных материалов.

Коммерческое применение
Использование углеродных нанотрубок для придания полимерам антистатических и проводящих свойств является на сегодняшний день коммерческой практикой и распространяется в таких отраслях, как электроника и автомобильная промышленность. На рисунке 1 представлено стандартное изображение проводимости конструкционного термопласта. Наполнение для достижения пропускания электричества в случае с многостенными углеродными нанотрубками может быть в 5-10 раз ниже, чем для проводящего технического углерода. Аналогичные сравнения проводятся в термоотверждаемых смолах, например, эпоксидных, но при значительно более низком наполнении. Этот феномен можно объяснить теорией перколяции (просачивания): путь для потока электронов создается, когда частицы находятся очень близко друг к другу или достигли порога перколяции. Волокнистые структуры с высоким коэффициентом отношения (длина/диаметр) увеличивают количество электрических контактов и обеспечивают более однородный путь. Геометрический коэффициент отношения углеводородных нанотрубок в конечном продукте (например, частях, изготовленных литьем под давлением) обычно превосходит 100 по сравнению с короткими углеродными волокнами (<30) и техническим углеродом (>1). Это объясняет более низкую дозировку, необходимую для заданного удельного сопротивления. Перколяционное поведение может варьироваться в зависимости от типа смолы, вязкости и метода переработки полимеров.

Рис. 1. Зависимости электропроводности от содержания углеродных наполнителей: углеродных нанотрубок, высоко проводящей углеродной сажи, стандартного технического углерода.

Сниженное содержание наполнителя может предоставить несколько преимуществ, таких как улучшенная способность к переработке, внешний вид поверхности, сниженное оплывание, повышенная способность удержания механических свойств исходного полимера. Эти преимущества обеспечили ввод многостенных углеродных нанотрубок в способы применения проводящих полимеров, таблица 1. В указанных способах применения они могут конкурировать с такими добавками, как высоко проводящий технический углерод и углеродные волокна, по соотношению стоимость/технические характеристики или на основе уникальных характеристик, которые невозможно достичь или подобрать для спецификаций продуктов.

Таблица 1. Коммерческое применение проводящих полимеров с многостенными углеродными нанотрубками.

Включение многостенных углеродных нанотрубок в пластмассы или эластомеры основано на относительно стандартных устройствах, применяемых в резиновых смесях и термопластах, например, экструдеры с тонкими шнеками и закрытые резиносмесители. Многостенные углеродные нанотрубки производства Nanocyl могут поставляться в форме порошка (Nanocyl® 7000) или термопластических концентратов (PlastiCyl™).

Применение композиционных материалов конструкционного назначения
Исключительная прочность углеродных нанотрубок имеет выгодное применение для создания различных видов спортивных товаров на основе композитных материалов из углеродных волокон и эпоксидных смол. Для упрощения включения и улучшения соединения со связующей фазой (например, эпоксидная смола или полиуретан) углеродные нанотрубки обычно химически модифицируются на поверхности. Стандартное усовершенствование, измеренное на армированном волокнами композиционном материале, составляет от 10 до 50% по прочности и динамической нагрузке. Такой уровень усиления может иметь существенное значение для данного композиционного материала, обычно ограниченного свойствами смолы.

Новые разработки
Сеть исключительно тонких проводящих структур, таких как углеродные нанотрубки, также предоставляет новые возможности в тонкопленочной технологии, включая антистатические прозрачные и проводящие покрытия с постоянной проводимостью, улучшенные механические свойства и повышенную стойкость к химическим воздействиям. В настоящее время разрабатываются технологии высокопроводящих прозрачных пленок, которые в ближайшем будущем смогут конкурировать с технологиями использования оксидов металлов, такими как технология напыления оксида индия и олова, применяемая сегодня для изготовления прозрачных электродов в плоскопанельных дисплеях и более ограниченных конструкциях, например, гибких дисплеях.
Разработана современная технология производства бумаги с применением многостенных углеродных нанотрубок. Такая бумага используется для создания более гибкого теплозащитного покрытия для защиты автомобильных зеркал от обледенения, подогрева полов и других нагревательных устройств.
Проводятся исследования новых свойств, получаемых при незначительной добавке многостенных углеродных нанотрубок в полимеры, например, огнестойкости и противогнилостности, которые могут привести к разработке новых продуктов, более соответствующих современным экологическим требованиям и обладающих улучшенными эксплуатационными качествами по сравнению с существующими материалами, при условии экономии.

Армированные эластомеры
Технический углерод и другие порошковые наполнители имеют широкое применение для армирования резины в шинах и другой промышленной резины. Состав может содержать высокий уровень загрузки наполнителями для повышения прочности и жесткости до необходимого уровня (более 50% массы), но при этом проявлять недостаток эластичности при некоторых видах применения. Замена на 5-10% наполнение многостенными углеродными нанотрубками, такими как Nanocyl® 7000, может обеспечить в высокоэффективных эластомерах аналогичный уровень прочности и жесткости при улучшенной эластичности, представляя новый баланс механических свойств, несравнимый с традиционными материалами.

Использование углеродных нанотрубок в коммерческих целях на сегодня является реальностью, что привлекает все большее внимание. Это означает, что они приняты промышленностью в качестве компонента добавленной стоимости, конкурирующего с другими вариантами, которые регулируется промышленными стандартами. В настоящее время ведется исследование новых полезных и непрогнозируемых свойств углеродных нанотрубок, которые позволят расширить их проникновение в отрасль полимеров.